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KR101698033B1 - Apparatus and Method for correcting Cone Beam Artifact on CT images - Google Patents

Apparatus and Method for correcting Cone Beam Artifact on CT images Download PDF

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KR101698033B1
KR101698033B1 KR1020160023473A KR20160023473A KR101698033B1 KR 101698033 B1 KR101698033 B1 KR 101698033B1 KR 1020160023473 A KR1020160023473 A KR 1020160023473A KR 20160023473 A KR20160023473 A KR 20160023473A KR 101698033 B1 KR101698033 B1 KR 101698033B1
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image
bone
cone beam
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fdk
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백종덕
최신국
한철희
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 이중 에너지를 활용하여 콘빔 아티팩트의 주원인인 고밀도 물질(뼈)에 대한 정보를 추출하고 반복 재구성 기법을 이용하여 기존에 제시된 콘빔 아티팩트 보정 알고리즘의 성능을 향상시킬 수 있는 콘빔 아티팩트 보정 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로서, 두 개의 서로 다른 에너지를 이용하여 얻은 프로젝션 데이터를 물질분해 알고리즘을 통해 Bone 사이노그램 및 Water 사이노그램을 포함하는 각각의 구성 물질만의 프로젝션 데이터로 분리하는 이중 에너지 기술 분석부와, 상기 Bone 사이노그램으로 수학적인 반복 재구성 방법을 활용한 영상 복원을 통해 Bone 재구성 영상을 추정하고, 추정된 Bone 재구성 영상으로 CT 촬영을 통해 얻을 수 있는 프로젝션 데이터(Raw Data)로 변환시켜주는 포워드 프로젝션(Forward Projection) 과정을 거쳐 콘빔 아티팩트가 나타난 고밀도 물질의 FDK Bone 재구성 영상을 획득하며, 상기 Bone 재구성 영상과 FDK Bone 재구성 영상과의 차이를 통해 재현된 콘빔 아티팩트 재현 영상을 획득하고, 상기 콘빔 아티팩트 발생 영상과 콘빔 아티팩트 재현 영상과의 조합을 통해 최종적으로 콘빔 아티팩트 보정 영상을 획득하는 콘빔 아티팩트 보정부를 포함하여 구성되는데 있다.The present invention relates to a cone beam artifact correction apparatus and method capable of extracting information on a high density material (bone), which is a main cause of cone beam artifacts using dual energy, and improving the performance of a cone beam artifact correction algorithm that has been proposed by using an iterative reconstruction technique , Which is a dual energy technology analysis that separates the projection data obtained by using two different energies into projection data of only each constituent material including the Bone SaNogram and Water Cygnogram through the material decomposition algorithm The bone reconstruction image is estimated through image restoration using a mathematical iterative reconstruction method with the bone segmentogram, and transformed into projection data (Raw Data) obtained through CT imaging with the estimated bone reconstruction image After the Forward Projection process, Acquiring a reconstructed FDK bone reconstructed image of the dense material exhibiting the reconstructed FDK bone artifact, acquiring the reconstructed cone beam artifact reconstructed image through a difference between the Bone reconstructed image and the FDK bone reconstructed image, And a cone beam artifact correction unit that finally obtains a cone beam artifact correction image through a combination.

Description

CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 장치 및 방법{Apparatus and Method for correcting Cone Beam Artifact on CT images}[0001] Apparatus and Method for Correcting Cone Beam Artifacts on CT Images [

본 발명은 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 콘빔 CT 시스템에서 큰 볼륨에 대한 CT 촬영 시간을 단축시키기 위해 대면적 X선 검출기를 사용하면서 CT 영상에서 부득이하게 발생하는 콘빔 아티팩트 저감하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for correcting cone beam artifacts in a CT image, and more particularly, to a cone beam artifact correction method and apparatus for correcting cone beam artifacts in a CT image using a large area X- And more particularly,

콘빔(cone beam) 아티팩트는 원궤도 컴퓨터 단층촬영에서는 잘 알려져 있는 문제이다. 도시바의 CT 장비인 아퀼리온원(AquilionONE) 등은 대부분 고도의 CT시스템의 X선원의 콘각이 매우 크고, 라돈 영역의 데이터가 결손되어 있기 때문에, CFK(Carbon Fiber Komposites) 화상으로 콘빔(cone beam) 아티팩트가 생긴다.Cone beam artifacts are a well known problem in circular orbital computer tomography. Toshiba's CT equipment, AquilionONE, etc., has a very large cone angle of the X-ray source of the high CT system and the data of the radon area is defective. Therefore, the cone beam is used as a CFK (Carbon Fiber Composite) Artifacts are created.

현재 콘빔 아티팩트를 보정하기 위한 방법으로 첫 번째로 결손 데이터를 알고리즘적으로 보정하는 방법과, 두 번째로 콘빔 CT의 데이터 획득 방법을 변경하는 방법이 있다.As a method for correcting the current cone beam artifact, there are a first method of algorithmically correcting the deficit data and a second method of changing the data acquisition method of the cone beam CT.

그리고 콘빔 CT의 영상 복원을 위해 많이 사용되는 FDK(Feldkamp Davis Kress) 알고리즘은 콘빔의 각도가 커짐에 따라 콘빔 아티팩트가 증가한다. 이를 보완하기 위한 알고리즘을 활용한 결손 데이터 보정 방법에는 콘빔을 평행 빔으로 변환하여 영상 복원을 수행하는 P-FDK(Parallel-FDK)와 T-FDK(Tent-FDK) 방법, 그리고 콘빔 아티팩트를 복원된 영상으로부터 재현하여 보정하는 2-패스(Two pass) 알고리즘이 있다.And FDK (Feldkamp Davis Kress) algorithm, which is widely used for image reconstruction of cone beam CT, increases cone beam artifacts as the angle of cone beam increases. In order to compensate for defective data, there are a P-FDK (Parallel-FDK) and a T-FDK (Tent-FDK) method for transforming cone beams into parallel beams for image reconstruction, There is a two pass algorithm that reproduces and corrects from the image.

즉, 도 1(a)에서 도시하고 있는 것과 같이 콘빔 CT의 프로젝션 구조가 주어졌을 때, P-FDK는 도 1(b)에서 도시하고 있는 것과 같이 3D 콘빔 데이터를 3D 평행빔 데이터로 리비닝(Rebinning)하여 영상을 복원한다. 또한 도 1(c)(d)에서 도시하고 있는 것과 같이 T-FDK는 P-FDK를 토대로 가상의 검출기를 만들어 텐트(tent) 모양의 프로젝션 구조로 변경하여 영상 복원을 수행한다.That is, when the projection structure of the cone beam CT is given as shown in Fig. 1 (a), the P-FDK converts the 3D cone beam data into 3D parallel beam data as shown in Fig. 1 (b) And reconstructs the image. Also, as shown in FIGS. 1 (c) and (d), T-FDK reconstructs a tent-like projection structure based on P-FDK to generate a virtual detector.

또한 2-패스(Two pass) 알고리즘은 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이, 기존 콘빔 CT 시스템에 FDK 알고리즘을 사용함으로써 발생하는 콘빔 아티팩트 영상(10)에서 아티팩트 발생의 주원인인 고밀도 물질(뼈)을 CT 영상에서의 수치 비교를 통한 분할(Segmentation) 과정으로 Bone 분할 영상(20)을 추정한다. 이는 임의적인 임계치 값에 따라 고밀도 물질의 추정 성능이 가변적임을 의미한다.2, a two-pass algorithm is a method in which a high-density material (bone), which is a main cause of artifacts in the cone beam artifact image 10 generated by using the FDK algorithm in an existing cone beam CT system, We estimate the bone segmentation image (20) by segmentation process by numerical comparison in image. This means that the estimation performance of the high-density material is variable depending on the arbitrary threshold value.

그리고 상기 CT 영상에서 추정한 고밀도 물질의 Bone 분할 영상(20)을 CT 촬영을 통해 얻을 수 있는 프로젝션 데이터(Raw Data)로 변환시켜주는 포워드 프로젝션(Forward Projection) 과정과 이를 FDK 알고리즘으로 영상 복원하여 콘빔 아티팩트가 나타난 FDK Bone 재구성 영상(30)을 획득한다.A forward projection process for converting the Bone segmented image 20 of the high density material estimated from the CT image into projection data (Raw Data) obtained through CT imaging, and a forward projection process for reconstructing the image using the FDK algorithm, Obtain an FDK bone reconstruction image (30) in which the artifact appears.

이어, 상기 Bone 분할 영상(20)과 FDK Bone 재구성 영상(30)과의 차이를 통해 재현된 콘빔 아티팩트 재현 영상(40)을 획득한다.Then, the reproduced cone beam artifact reconstructed image 40 is obtained through the difference between the Bone segmented image 20 and the FDK bone reconstructed image 30.

그 후, 콘빔 아티팩트 발생 영상(50)과 콘빔 아티팩트 재현 영상(40)과의 조합을 통해 최종적으로 콘빔 아티팩트 보정 영상(60)을 획득한다.Thereafter, the cone-beam artifact-corrected image 60 is finally obtained through a combination of the cone-beam artifact-generated image 50 and the cone-beam artifact reproduced image 40.

콘빔 아티팩트가 고밀도 물질에 의해 주로 발생하는 것에 초점을 맞춘다. 즉, 콘빔 아티팩트가 나타난 영상에서 수치비교를 통한 임계치(Threshold) 방법을 통해 고밀도 물질을 분리해내고, 그 물질에 대해 추가적인 프로젝션과 영상복원을 수행하여 고밀도 물질에 의한 콘빔 아티팩트를 재현한다. 이렇게 재현된 콘빔 아티팩트를 원본영상에서 제거하여 콘빔 아티팩트를 보정한다.Cone beam artifacts are mainly focused on high density materials. That is, a high-density material is separated through a threshold method through numerical comparison in an image in which a cone beam artifact appears, and additional projection and image reconstruction are performed on the material to reproduce cone beam artifacts due to a high-density material. The reproduced cone beam artifact is removed from the original image to correct the cone beam artifact.

이와 같은 기존의 알고리즘 기반 콘빔 아티팩트 보정 방법은 작은 콘빔 각도(5도 이하)에서는 보정 효과가 탁월하나 10도 이상의 콘빔 각도를 가지는 CT 시스템(예: 320 슬라이스 도시바 CT 시스템, 방사선 치료 모니터링용 콘빔 CT 시스템, C-ARM CT 시스템)에서는 아티팩트 보정효과가 감소하여 화질 개선의 한계가 존재한다.This conventional algorithm-based cone beam artifact correction method is applied to a CT system (e.g., a 320 slice Toshiba CT system, a cone beam CT system for radiotherapy monitoring, and the like) having a cone beam angle of 10 degrees or more at a small cone angle , C-ARM CT system), artifact correction effect is reduced, and there is a limit to image quality improvement.

일반적인 콘빔 CT는 중심에 위치한 수평적인 원을 따라 X선 소스와 검출기가 회전하며 대상을 촬영한다. 결손 데이터 획득을 통한 콘빔 아티팩트 저감을 위해 소스와 검출기의 촬영 궤도를 변경하여 대상에 대한 데이터를 얻는 방법들이 연구되었다. 도 3의 (a)(b)에서 도시하고 있는 것과 같이 circle-and-line 및 saddle 궤도에 따라 소스와 검출기가 움직이며, 이에 따라 촬영된 프로젝션 데이터를 통해 콘빔 아티팩트가 저감(제거)된 3D 영상 복원이 가능하다.Conventional cone beam CT images the object by rotating the X-ray source and detector along a center circle. In order to reduce cone beam artifacts through acquisition of defect data, methods of obtaining data on objects by changing the shooting trajectories of source and detector have been studied. As shown in FIGS. 3A and 3B, the source and the detector move according to the circle-and-line and the saddle orbit, and the 3D image obtained by reducing the cone beam artifacts Restoration is possible.

또 다른 방법으로는 도 3의 (c)(d)에서 도시하고 있는 것과 같이 MS-IGCT(Xulti Source-Inverse Geometry CT)와 같이 여러 개의 X선 소스를 사용하는 시스템 구조에 대한 연구도 진행이 되었다. 이는 하나의 X선 소스와 검출기에 의해 발생되는 결손 데이터를 추가적인 X선 소스를 통해 보완하여 충분한 프로젝션 데이터를 얻을 수 있다.As another method, a system structure using several X-ray sources such as MS-IGCT (X-ray Source-Inverse Geometry CT) as shown in (c) . This makes it possible to obtain sufficient projection data by supplementing the defect data generated by one X-ray source and detector with an additional X-ray source.

그러나 이러한 데이터 획득 방법 변경을 통한 콘빔 아티팩트 제거 방법은 이론적으로는 가능하나 장비 구조 자체를 변경해야 하므로 현재 사용되고 있는 CT 시스템에 적용하기 어렵다. 또한 촬영 궤도 변경으로 인해 촬영 시간이 증가하여 환자의 움직임에 의한 추가적인 아티팩트가 발생하는 문제점이 발생한다.However, the method of removing cone beam artifacts by changing the data acquisition method is theoretically possible, but it is difficult to apply to the currently used CT system because the device structure itself needs to be changed. Further, the photographing time is increased due to the change of the photographing trajectory, so that there arises a problem that additional artifacts occur due to the movement of the patient.

일본 특허출원번호 제2011-141209호 (출원일자 2011.06.24)Japanese Patent Application No. 2011-141209 (filed on June 24, 2011) 일본 특허출원번호 제2012-232359호 (출원일자 2012.10.19)Japanese Patent Application No. 2012-232359 (filed on October 19, 2012)

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 이중 에너지를 활용하여 콘빔 아티팩트의 주원인인 고밀도 물질(뼈)에 대한 정보를 추출하고 반복 재구성 기법을 이용하여 기존에 제시된 콘빔 아티팩트 보정 알고리즘의 성능을 향상시킬 수 있는 콘빔 아티팩트 보정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for extracting information on a high density material (bone), which is a main cause of cone beam artifacts, Which can improve the performance of the cone beam artifact.

본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 장치의 특징은 두 개의 서로 다른 에너지를 이용하여 얻은 프로젝션 데이터를 물질분해 알고리즘을 통해 Bone 사이노그램 및 Water 사이노그램을 포함하는 각각의 구성 물질만의 프로젝션 데이터로 분리하는 이중 에너지 기술 분석부와, 상기 Bone 사이노그램으로 수학적인 반복 재구성 방법을 활용한 영상 복원을 통해 Bone 재구성 영상을 추정하고, 추정된 Bone 재구성 영상으로 CT 촬영을 통해 얻을 수 있는 프로젝션 데이터(Raw Data)로 변환시켜주는 포워드 프로젝션(Forward Projection) 과정과 이를 FDK 알고리즘으로 영상 복원하여 콘빔 아티팩트가 나타난 FDK Bone 재구성 영상을 획득하며, 상기 Bone 재구성 영상과 FDK Bone 재구성 영상과의 차이를 통해 재현된 콘빔 아티팩트 재현 영상을 획득하고, 상기 콘빔 아티팩트 발생 영상과 콘빔 아티팩트 재현 영상과의 조합을 통해 최종적으로 콘빔 아티팩트 보정 영상을 획득하는 콘빔 아티팩트 보정부를 포함하여 구성되는데 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for correcting cone beam artifacts in a CT image, comprising: a projection unit configured to project projection data obtained by using two different energies into a bone- A Bone reconstruction image is estimated through image restoration using a mathematical iterative reconstruction method using the Bone interogram, and the estimated Bone reconstruction image A forward projection process for transforming the data into raw data that can be obtained through a CT scan and an FDK algorithm for reconstructing the FDK bone reconstructed image to obtain an FDK bone reconstructed image having a cone beam artifact, Reconstructed Cone Beam Artifacts through Differences from FDK Bone Reconstructed Images Obtaining a phase, and may consists, finally includes a cone beam artifact correction to obtain the cone beam artifact corrected image through a combination of the cone beam artifact generated images and cone beam artifacts reproduced image.

바람직하게 상기 두 개의 서로 다른 에너지는 두 개의 에너지 스펙트럼으로, 로우 에너지 스펙트럼(low energy spectrum), 하이 에너지 스펙트럼(high energy spectrum)을 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the two different energies are characterized by having two energy spectra including a low energy spectrum and a high energy spectrum.

바람직하게 상기 물질분해 알고리즘은 구하고자 하는 기저 함수의 값을 이중 에너지 스펙트럼을 통해 이미 알고 있는 프로젝션 데이터 Y1과 Y2를 통해 다항식(polynomial)을 구성하고, 기저 함수의 값을 이미 알고 있는 상태로 제작된 교정 팬텀(calibration phantom)을 통한 다항식의 계수 추정과 최소 제곱법(least square fitting) 과정을 통해 추정해내는 것을 특징으로 한다.Preferably, the material disassembly algorithm constructs a polynomial through the projection data Y1 and Y2 already known through the dual energy spectrum to obtain a value of the basis function to be obtained, And estimation is performed by a polynomial coefficient estimation and a least square fitting process through a calibration phantom.

바람직하게 상기 수학적인 반복 재구성 방법은 사이노그램의 값 행렬 b와, 데이터를 획득하는데 사용된 시스템의 지오메트리에 관련된 행렬 A를 이용하여, 최종적으로 복원하고자 하는 영상의 값인 x의 총변동(Total variation : TV)이 최소화 하도록 하는 최적화 과정과 반복 과정을 통해서 추정하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the mathematical iterative reconstruction method uses the sineogram value matrix b and the matrix A related to the geometry of the system used to obtain the data to calculate the total variation : TV) is minimized through an optimization process and an iterative process.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 방법의 특징은 (A) 이중 에너지 기술 분석부를 통해 두 개의 서로 다른 에너지를 이용하여 얻은 프로젝션 데이터를 물질분해 알고리즘을 통해 Bone 사이노그램 및 Water 사이노그램을 포함하는 각각의 구성 물질만의 프로젝션 데이터로 분리하는 단계와, (B) 콘빔 아티팩트 보정부를 통해 상기 분리한 고밀도 물질(뼈)의 프로젝션 데이터 중 Bone 사이노그램을 수학적인 반복 재구성 방법을 활용한 영상 복원을 통해 Bone 재구성 영상으로 추정하는 단계와, (C) 상기 반복 재구성 영상 복원을 통해 추정된 고밀도 물질의 Bone 재구성 영상을 기반으로 콘빔 아티팩트 재현 및 보정하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of correcting cone beam artifacts in a CT image, the method comprising: (A) analyzing projection data obtained using two different energies through a dual energy technology analysis unit, (B) separating the projection data of the separated high-density material (bone) through the cone beam artifact correction unit into projection data of the respective constituent materials including the sinogram and the water- Estimating a Bone reconstruction image through image reconstruction using a mathematical iterative reconstruction method; and (C) reproducing and correcting the cone beam artifact based on the Bone reconstruction image of the high density material estimated through the iterative reconstruction image reconstruction .

바람직하게 상기 두 개의 서로 다른 에너지는 두 개의 에너지 스펙트럼으로, 로우 에너지 스펙트럼(low energy spectrum), 하이 에너지 스펙트럼(high energy spectrum)을 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the two different energies are characterized by having two energy spectra including a low energy spectrum and a high energy spectrum.

바람직하게 상기 물질분해 알고리즘은 구하고자 하는 기저 함수의 값을 이중 에너지 스펙트럼을 통해 이미 알고 있는 프로젝션 데이터 Y1과 Y2를 통해 다항식(polynomial)을 구성하는 단계와, 기저 함수의 값을 이미 알고 있는 상태로 제작된 교정 팬텀(calibration phantom)을 통한 다항식의 계수 추정과 최소 제곱법(least square fitting) 과정을 통해 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the material decomposition algorithm includes a step of constructing a polynomial through the projection data Y1 and Y2 already known through the dual energy spectrum, Estimating a coefficient of a polynomial through a calibration phantom and a least square fitting process.

바람직하게 상기 수학적인 반복 재구성 방법은 사이노그램의 값 행렬 b와, 데이터를 획득하는데 사용된 시스템의 지오메트리에 관련된 행렬 A를 이용하여, 최종적으로 복원하고자 하는 영상의 값인 x의 총변동(Total variation : TV)이 최소화 하도록 하는 최적화 과정과 반복 과정을 통해서 추정하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the mathematical iterative reconstruction method uses the sineogram value matrix b and the matrix A related to the geometry of the system used to obtain the data to calculate the total variation : TV) is minimized through an optimization process and an iterative process.

바람직하게 상기 (C) 단계는 상기 반복 재구성 영상 복원을 통해 추정된 고밀도 물질의 Bone 재구성 영상을 CT 촬영을 통해 얻을 수 있는 프로젝션 데이터(Raw Data)로 변환시켜주는 포워드 프로젝션(Forward Projection) 과정과 이를 FDK 알고리즘으로 영상 복원하여 콘빔 아티팩트가 나타난 FDK Bone 재구성 영상을 획득하는 단계와, 상기 Bone 재구성 영상과 FDK Bone 재구성 영상과의 차이를 통해 재현되는 콘빔 아티팩트 재현 영상을 획득하는 단계와, 콘빔 아티팩트 발생 영상과 상기 획득된 콘빔 아티팩트 재현 영상과의 조합을 통해 최종적으로 콘빔 아티팩트 보정 영상을 획득하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.Preferably, the step (C) includes a forward projection process for converting a bone reconstruction image of a high-density material estimated through the restoration of the repeated reconstruction image into projection data (Raw Data) Acquiring an FDK bone reconstruction image in which the Cone beam artifact appears by performing image reconstruction using the FDK algorithm, acquiring a cone beam artifact reconstructed image reproduced through the difference between the Bone reconstruction image and the FDK bone reconstruction image, And obtaining the cone beam artifact corrected image through a combination of the obtained concave artifact reproduced image and the obtained concave artifact reproduced image.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.The apparatus and method for correcting cone beam artifacts in a CT image according to the present invention as described above have the following effects.

첫째, 기존의 콘빔 아티팩트 보정 기술과는 다르게 현재 사용되고 있는 CT 시스템에 즉각적으로 기용이 가능하여 쉽게 보급이 될 것으로 예상된다.First, unlike conventional Cone Beam Artifact Correction Technology, it is expected that it will be readily available to the currently used CT system and can be used easily.

둘째, 기존 콘빔 아티팩트 보정 기술에 비해 콘빔 아티팩트 보정 정도 및 성능이 우수하여, 큰 Cone angle을 발생시키는 대면적 X선 검출기에도 적용이 가능할 것으로 보인다. Second, it can be applied to a large-area X-ray detector that generates a large cone angle because the accuracy and performance of Cone beam artifact is superior to that of existing Cone beam artifact correction technology.

셋째, 콘빔 아티팩트를 발생시키는 주원인인 고밀도 물질의 정확한 추정을 통한 우수한 콘빔 아티팩트 보정 성능과 고밀도 물질을 추정하기 위해 수학적 반복 재구성 과정을 거치기 때문에, 노이즈가 심한 환경에서도 기존의 제시된 알고리즘에 비해 훨씬 더 우수한 성능을 낼 것으로 기대된다. Third, because of the excellent cone beam artifact correction performance through precise estimation of high density material which is the main cause of cone beam artifact and mathematical iterative reconstruction process for estimating high density material, it is much more superior than the existing proposed algorithm even in a noisy environment It is expected that it will perform.

도 1 은 기존의 콘빔 아티팩트 보정 기술을 나타낸 도식도
도 2 는 기존의 콘빔 아티팩트 보정 기술에서 콘빔 CT 프로젝션 구조 변경을 나타낸 구성도
도 3 은 기존의 콘빔 아티팩트 보정 기술에서 데이터 획득 방법 및 시스템 구조 변경을 나타낸 도식도
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 방법의 과정을 나타낸 구성도
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 기술을 위한 시뮬레이션에 사용된 콘빔 CT 시스템을 나타낸 구성도
도 6 은 도 5에서 실제 사용한 Defrise 팬텀 물질 감쇠계수 분포를 나타낸 도면
도 7 내지 도 10 은 기존의 콘빔 아티팩트 보정 기술을 이용하여 시뮬레이션에 사용된 참조 영상 및 콘빔 아티팩트 발생 영상을 나타낸 도면
도 11 은 본 발명에 따른 콘빔 아티팩트 보정 기술을 이용하여 시뮬레이션에 사용된 참조 영상 및 콘빔 아티팩트 발생 영상을 나타낸 도면
도 12 는 기존 2-패스(Two pass) 알고리즘과 본 발명의 결과를 비교한 도면
1 is a schematic diagram illustrating a conventional cone beam artifact correction technique;
FIG. 2 is a block diagram showing a cone beam CT projection structural modification in a conventional Cone beam artifact correction technique
FIG. 3 is a schematic diagram showing a data acquisition method and a system structural change in a conventional Cone beam artifact correction technique;
FIG. 4 is a diagram illustrating a process of a method for correcting cone beam artifacts in a CT image according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing a cone beam CT system used in simulation for a cone beam artifact correction technique in a CT image according to an embodiment of the present invention
FIG. 6 is a graph showing the actual deflation phantom damping coefficient distribution used in FIG. 5; FIG.
7 to 10 are views showing a reference image and a cone beam artifact generation image used in a simulation using a conventional Cone beam artifact correction technique
11 is a view showing a reference image and a cone beam artifact generation image used in a simulation using the cone beam artifact correction technique according to the present invention
Fig. 12 is a graph comparing the results of the present invention with the conventional two-pass algorithm

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the detailed description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.A preferred embodiment of an apparatus and method for correcting cone beam artifacts in a CT image according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided to let you know. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, various equivalents It should be understood that water and variations may be present.

도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 방법의 과정을 나타낸 구성도이다.4 is a block diagram illustrating a method of correcting a cone beam artifact in a CT image according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명에서는 기존 2-패스(Two pass) 알고리즘에서 콘빔 아티팩트 발생의 주원인인 고밀도 물질(뼈)을 CT 영상에서 수치 비교를 통한 추정이 아닌, 이중 에너지를 활용하여 콘빔 아티팩트의 주원인인 고밀도 물질(뼈)에 대한 정보를 추출하고, 반복 재구성 기법을 이용하여 기존에 제시된 콘빔 아티팩트 보정 알고리즘의 성능을 향상시킨다. Referring to FIG. 4, in the present invention, high-density material (bone), which is a main cause of cone beam artifact generation in the conventional two-pass algorithm, is not estimated by numerical comparison in CT image, We extract information about high density material (bone) which is main cause of artifact and improve performance of Cone beam artifact correction algorithm which has been proposed by using iterative reconstruction technique.

좀 더 상세히 설명하면, 먼저 이중 에너지 기술 분석부(100)는 두 개의 서로 다른 에너지를 이용하여 얻은 프로젝션 데이터를 물질분해 알고리즘을 통해 Bone 사이노그램(110) 및 Water 사이노그램(120)을 포함하는 각각의 구성 물질만의 프로젝션 데이터로 분리한다.In more detail, the dual energy technology analysis unit 100 includes the Bone Cyberogram 110 and the Water Cyberogram 120 through the material decomposition algorithm, the projection data obtained using two different energies Into projection data of only the respective constituent materials.

상기 물질분해 알고리즘을 설명하면 다음과 같다.The material decomposition algorithm will be described as follows.

기본적으로 X-ray는 물질을 통과할 때 감쇠가 되며, 감쇠가 되는 정도는 X-ray 감쇠계수(X-ray attenuation coefficient)로 표현이 된다. 이때, X-ray가 물질을 통과할 때 일어나는 물리적인 현상은 크게, 광전 효과(Photo-electric effect)와 컴프턴 효과(Compton effect) 두 가지가 있으며, 이를 통해 모든 물질의 감쇠계수는 물리적으로 광전 효과와 컴프턴 효과에 해당하는 두 개의 기저 함수(basis function)의 선형결합(linear combination)으로 표현이 가능하다. 이는 수학적인 변형과정을 통해, 광전 효과와 컴프턴 효과에 해당하는 두 개의 기저 함수를 임의의 서로 다른 물질로 변형이 가능하며, 상기 물질 분해 알고리즘이라 함은, 각각 두 물질의 기저 함수를 찾아내는 알고리즘을 의미한다. 이때, 우리가 원하는 솔루션(solution)인 기저 함수의 개수는 2개이기 때문에, 최소한, 2개 이상의 입력 X-ray 프로젝션 데이터의 값을 알고 있어야 방정식을 풀 수 있으며, 이 경우, 이중에너지 즉 두 개의 에너지 스펙트럼(일반적으로 로우 에너지 스펙트럼(low energy spectrum), 하이 에너지 스펙트럼(high energy spectrum))을 사용하여 얻은 데이터를 통해 물질의 프로젝션 데이터를 획득할 수 있다. 즉 두 개의 측정 데이터와, 사전에 알려져 있는 물질의 X-ray 감쇠계수를 활용하여 원하는 물질의 프로젝션 데이터를 재구성할 수 있다. 하지만, X-ray의 폴리크로마틱(polychromatic)한 성질 때문에(Photon의 에너지 스펙트럼에 따라 물질의 X-ray 감쇠 계수가 계속 변하는 성질) 다이렉트 역행렬(direct matrix inversion)을 통한 값 추정은 오차가 심하여, 구하고자 하는 기저 함수의 값을 이중 에너지 스펙트럼을 통해 이미 알고 있는 프로젝션 데이터 Y1과 Y2를 통해 다항식(polynomial)을 구성하고, 기저 함수의 값을 이미 알고 있는 상태로 제작된 교정 팬텀(calibration phantom)을 통한 다항식의 계수 추정과 최소 제곱법(least square fitting) 과정을 통해 추정해내며, 이를 교정 팬텀 기반 다항식 기법(calibration phantom based polynomial fitting) 물질 분해 알고리즘이라 일컫는다.Basically, the X-ray attenuates when passing through the material, and the degree of attenuation is expressed by the X-ray attenuation coefficient. At this time, there are two physical phenomena that occur when the X-ray passes through the material: photo-electric effect and Compton effect, so that the damping coefficient of all materials is physically converted to photoelectric It can be expressed as a linear combination of two basis functions that correspond to the effect and the compton effect. In the mathematical transformation process, the two basis functions corresponding to the photoelectric effect and the compton effect can be transformed into arbitrary different materials. The material decomposition algorithm is an algorithm for finding the basis functions of two substances . At this time, since the number of basis functions, which is a desired solution, is 2, at least, the values of two or more input X-ray projection data must be known to solve the equation. In this case, Projection data of the material can be obtained through data obtained using an energy spectrum (generally a low energy spectrum, a high energy spectrum). That is, the projection data of a desired substance can be reconstructed by utilizing two measurement data and an X-ray attenuation coefficient of a previously known substance. However, due to the polychromatic nature of X-rays (the property that the X-ray attenuation coefficient of a material continuously changes according to Photon's energy spectrum), estimation of values through direct matrix inversion is error- We construct a polynomial based on the projection data Y1 and Y2 already known through the dual energy spectrum, and use a calibration phantom with a known value of the baseline function. (Polynomial fitting) algorithm, which is a calibration phantom-based polynomial fitting method.

이어 콘빔 아티팩트 보정부(200)를 통해 상기 이중 에너지 기술 분석부(100)에서 분리한 고밀도 물질(뼈)의 프로젝션 데이터 중 Bone 사이노그램(110)을 수학적인 반복 재구성 방법을 활용한 영상 복원을 통해 Bone 재구성 영상(210)으로 추정한다.Bone cyberogram 110 among the projection data of the high-density material (bone) separated from the dual energy technology analysis unit 100 through the cone beam artifact correction unit 200 is subjected to image restoration using a mathematical repetitive reconstruction method The reconstructed image 210 is reconstructed as a reconstructed image.

상기 수학적인 반복 재구성 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.The mathematical repetitive reconstruction method will be described in detail as follows.

상기 이중에너지 기술 분석부(100)를 통해 얻어낸 Bone 사이노그램을 재구성하여 최종적으로 고밀도 물질(뼈)만 있는 영상 복원을 수행함에 있어 기존의 FDK 알고리즘이 아닌 수학적 반복 재구성 방법을 사용한다. 즉, 이중 에너지 기술 분석을 통한 분해 물질의 사이노그램은 분석방법에 따라 다양한 노이즈가 발생하며, 노이즈를 제거하고 정확한 영상을 복원하기 위해 수학적 반복 재구성 방법을 활용한다. In order to reconstruct a bone tomogram obtained through the dual energy technique analysis unit 100 and finally to perform image reconstruction with only a high density material (bone), a mathematical iterative reconstruction method is used instead of the FDK algorithm. In other words, the sinogram of the decomposition material through the dual energy technique analysis generates various noise according to the analysis method, and utilizes a mathematical repetitive reconstruction method to remove the noise and restore the accurate image.

이를 위한, 수학적 반복 재구성 방법은 사이노그램의 값 행렬 b와, 데이터를 획득하는데 사용된 시스템의 지오메트리에 관련된 행렬 A를 이용하여, 최종적으로 복원하고자 하는 영상의 값인 x를 최적화 과정과 반복 과정을 통해서 추정하는 방법이다. 즉, 다음 수학식 1에서 나타내고 있는 것과 같이, 최적화 과정에 있어서, 매 번 추정한 값 x의 총변동(Total variation : TV)이 최소화 하도록 하여 이미지를 복원하며, 총변동을 최소화 하는 정도를 파라미터 람다(λ)로 조절하여 반복 과정을 수행할 함수 f(x)를 구한다. To do this, a mathematical iterative reconstruction method uses the sineogram's value matrix b and the matrix A related to the geometry of the system used to obtain the data to optimize and repeat the image x, . That is, as shown in the following equation (1), in the optimization process, the image is restored by minimizing the total variation (TV) of the estimated value x every time, and the degree of minimizing the total variation is called the parameter lambda (λ) to obtain a function f (x) for performing the iterative process.

Figure 112016019244179-pat00001
Figure 112016019244179-pat00001

Figure 112016019244179-pat00002
Figure 112016019244179-pat00002

그 후, 상기 구해진 함수 f(x)를 상기 수학식 2의 수학적 반복 과정을 통해 풀어 최적의 영상 복원값 x를 추정한다. 이때, 상기 수학적 반복 과정은 GP-BB(Gradient-Projection-Barzilai-Borwein) 알고리즘 사용하는 것이 바람직하다.Thereafter, the obtained function f (x) is solved through the mathematical repetition of Equation (2) to estimate an optimal image reconstruction value x. At this time, it is preferable to use a GP-BB (Gradient-Projection-Barzilai-Borwein) algorithm.

상기 수학적 반복 과정을 좀 더 상세히 설명하면, Step 1과 2에서는 n번째 반복 과정 동안 풀 수식

Figure 112016019244179-pat00003
과 초기 조건을 설정한다. 이후, step 3에서는 반복 과정을 통해 추정된 값 x를 통해 반복 재구성의 스텝 사이즈를 결정하며, 이를 적용하여 step 4에서 수학적 반복 과정을 수행하여 최적화된 값 x를 추정한다.The mathematical repetition process will be described in more detail. In steps 1 and 2,
Figure 112016019244179-pat00003
And initial conditions. In step 3, the step size of the repetitive reconstruction is determined through the estimated value x through the iterative process. Then, the mathematical iterative process is performed in step 4 to estimate the optimized value x.

그리고 상기 콘빔 아티팩트 보정부(200)는 이렇게 반복 재구성 영상 복원을 통해 추정된 고밀도 물질의 Bone 재구성 영상(210)을 CT 촬영을 통해 얻을 수 있는 프로젝션 데이터(Raw Data)로 변환시켜주는 포워드 프로젝션(Forward Projection) 과정과 이를 FDK 알고리즘으로 영상 복원하여 콘빔 아티팩트가 나타난 FDK Bone 재구성 영상(230)을 획득한다.The Cone beam artifact correction unit 200 then performs a forward projection operation for converting the Bone reconstruction image 210 of high density material estimated through the repeated reconstruction image reconstruction to projection data (Raw Data) Projection) and reconstructs it with the FDK algorithm to obtain the FDK bone reconstruction image 230 in which the Cone beam artifact appears.

이어, 상기 Bone 재구성 영상(210)과 FDK Bone 재구성 영상(220)과의 차이를 통해 재현된 콘빔 아티팩트 재현 영상(230)을 획득한다.Then, the reproduced cone beam artifact reconstructed image 230 is obtained through the difference between the bone reconstructed image 210 and the FDK bone reconstructed image 220.

그 후, 콘빔 아티팩트 발생 영상(300)과 콘빔 아티팩트 재현 영상(230)과의 조합을 통해 최종적으로 콘빔 아티팩트 보정 영상(400)을 획득한다. Then, the cone beam artifact correction image 400 is finally obtained through a combination of the cone artifact generation image 300 and the cone beam artifact reproduction image 230.

이를 통한, 정확한 고밀도 물질 추정을 위해 두 개의 서로 다른 에너지 스펙트럼을 활용한 물질 분배 알고리즘과 반복 재구성 영상 복원 방법을 활용하여 기존의 2-패스(Two pass) 알고리즘의 임계치(Threshold) 과정을 대체하였다.Through this, we replace the threshold process of the existing two-pass algorithm by using a material distribution algorithm and an iterative reconstruction image reconstruction method that use two different energy spectra to estimate accurate high-density material.

이처럼, 본 발명은 이중 에너지 기반 물질 분해 알고리즘과 수학적인 반복 재구성을 통해 추정한 고밀도 물질 영상을 기존의 2-패스(Two pass) 알고리즘 과정과 동일하게 수행하여 최종적인 콘빔 아티팩트 보정 영상(400)을 획득하였으며, 이러한 방법을 통해, 기존 수치 비교를 통한 분할(Segmentation) 과정에 비해 임의적인 임계치 값을 지정하지 않아도 되며, 고밀도 물질의 추정 성능이 일정하게 우수하며 반복 재구성 방법을 사용하기 때문에 노이즈에 강하다는 장점이 있다.
As described above, according to the present invention, a high-density material image estimated through a dual-energy-based material decomposition algorithm and a mathematical repetitive reconstruction is performed in the same manner as the existing two-pass algorithm process to obtain a final concave artifact correction image 400 Through this method, it is unnecessary to designate an arbitrary threshold value as compared with the segmentation process by comparing the existing numerical values. Since the estimation performance of the high density material is constant and the iterative reconstruction method is used, it is resistant to noise .

실시예Example

본 발명을 시뮬레이션으로 구현하기 위해, 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이, 콘빔 CT 시스템 기하 구조를 구성하였다. 이때, 시뮬레이터로는 MATLAB R2013b를 사용하였다. In order to implement the present invention by simulation, a cone beam CT system geometry is constructed as shown in FIG. At this time, MATLAB R2013b was used as the simulator.

오브젝트(Object)(500)의 중앙에서 z축 방향으로의 오프셋(offset) 정도에 따라 발생하는 콘빔 아티팩트를 잘 발생시키기 위해, 물(Water)의 X선 특성을 가지는 큰 원통에 뼈(Bone)의 X선 특성을 가지는 5개의 원통이 삽입된 Defrise 팬텀을 시뮬레이션 오브젝트(Object) 팬텀으로 설정하였다.In order to generate cone beam artifacts that occur according to the degree of offset in the z-axis direction from the center of the object 500, a large cylinder having X- Defrise phantom with 5 cylinders inserted with X-ray characteristic was set as simulation object (phantom).

시뮬레이션 파라미터로는 X선 소스(source)와 오브젝트(Object)(500)의 Iso-중심까지의 거리 SO[mm], 오브젝트(500)의 Iso-중앙으로부터 검출기(Detector)(600)까지의 거리 OD[mm], 물 원통의 반지름 R_Max[mm], 물 원통의 높이 Z[mm], 뼈 원통의 반지름 R_Min[mm], 뼈 원통의 높이 A[mm], 뼈 원통간의 간격 B[mm], 검출기(600)의 개수 N, 검출기(600) 크기 d[mm], 영상 획득 픽셀 크기 t[mm], 오브젝트(500) 뼈 각도 θ, 검출기(600) 각도 π 가 있다. The simulation parameters include a distance SO [mm] to the Iso-center of the X-ray source and the object 500, a distance OD from the Iso-center of the object 500 to the detector 600 [mm], the radius of the water cylinder R_Max [mm], the height of the water cylinder Z [mm], the radius of the bone cylinder R_Min [mm], the height of the bone cylinder A [mm] The number N of detectors 600, the size d [mm] of the detector 600, the image acquisition pixel size t [mm], the object 500 bone angle θ, and the detector 600 angle π.

시뮬레이션 파라미터를 결정하는데 있어, 오브젝트 절단(Truncation)과 최대 뼈 각도를 고려해야 한다. 오브젝트 절단은 오브젝트(500)가 검출기(600)가 커버할 수 있는 영역을 벗어나는 경우 생기는 현상이며, 이 경우 획득한 CT 영상의 가장자리 부분에 절단(Truncation) 아티팩트가 발생하여, 콘빔 아티팩트에 영향을 줄 수 있다. 이때, 오브젝트 절단(Truncation)이 발생하지 않을 조건은 검출기 뼈 각도 π가 오브젝트 뼈 각도 θ보다 커야 된다. In determining the simulation parameters, object truncation and maximum bone angle should be considered. Object truncation is a phenomenon that occurs when the object 500 is out of the area that can be covered by the detector 600. In this case, a truncation artifact occurs at the edge portion of the acquired CT image, . At this time, the condition that the object truncation does not occur is that the detector bone angle? Should be larger than the object bone angle?.

최대 검출기 뼈 각도의 경우, 대면적 X선 검출기를 기 보유한 콘빔 CT 시스템에서의 적용과 여타 콘빔 아티팩트 저감 알고리즘과의 비교를 위해 의도적으로 10도 이상으로 설정하였으며, 실제로 오브젝트 콘 각도 θ = 10.12°, 검출기 각도 π = 17.7°로 설정하였다.For the maximum detector bone angle, it is set to 10 degrees or more intentionally for comparison with the application of the cone beam CT system having a large area X-ray detector and other cone beam artifact reduction algorithms. Actually, the object cone angle θ = 10.12 °, The detector angle was set to π = 17.7 °.

시뮬레이션에 사용된 최종 시스템 파라미터는 X선 소스와 오브젝트의 Iso-중앙까지의 거리 SO = 200[mm], 오브젝트의 Iso-중앙으로부터 검출기까지의 거리 OD = 200[mm], 물 원통의 반지름 R_Max = 60[mm], 물 원통의 높이 Z = 50[mm], 뼈 원통의 반지름 R_Min = 40[mm], 뼈 원통의 높이 A = 4[mm], 뼈 원통간의 간격 B = 3[mm], 검출기의 개수 N = 128, 검출기 크기 d = 2[mm], 영상 획득 픽셀 크기 t = 1[mm], 오브젝트 뼈 각도 θ = 10.12°, 검출기 뼈 각도 π = 17.7°이다. The final system parameters used in the simulation are the distance between the X-ray source and the Iso-center of the object SO = 200 [mm], the distance from the Iso-center of the object to the detector OD = 200 [mm], the radius of the water cylinder R_Max = The height B of the bone cylinder A = 4 [mm], the distance B of the bone cylinder B = 3 [mm], the height of the water cylinder Z = 50 [mm], the radius of the bone cylinder R_Min = 40 [mm] The detector size d = 2 [mm], the image acquisition pixel size t = 1 [mm], the object bone angle [theta] = 10.12 [deg.], And the detector bone angle [pi] = 17.7 [deg.].

또한 시뮬레이션에 사용된 이중 에너지 스펙트럼(Low/High)에 따른 물질의 감쇠 계수(AC) 및 반복 재구성 복원 알고리즘에 사용된 스무싱 파라미터(Smoothing Parameter) λ, nlet, 최대 반복 횟수(Max_iteration No.)는 다음 표 1과 같이 설정하였다. 이때, 상기 nlet은 기존의 영상 복원 방법인 FDK 방법의 변수 중 하나이며, 영상 복원 시 디텍터 사이에 검출기 역할을 하는 가상의 let을 둠으로써, 충분한 샘플을 획득하여, 영상 복원 시 좀 더 명확한 이미지를 획득할 수 있게끔 하는 복원 알고리즘 상의 변수를 의미한다.In addition, the damping coefficient (AC) of the material according to the dual energy spectrum (Low / High) used in the simulation and the smoothing parameter λ, nlet and Max_iteration No. used in the repetitive reconstruction restoration algorithm Table 1 shows the results. At this time, the nlet is one of the parameters of the FDK method, which is a conventional image restoration method. By setting a virtual let which acts as a detector between the detectors during image restoration, sufficient samples are acquired, The variable in the restoration algorithm that makes it possible to acquire.

Figure 112016019244179-pat00004
Figure 112016019244179-pat00004

도 6에서는 기존의 2-패스(Two pass) 알고리즘과 본 발명에서 제안한 알고리즘의 비교 분석을 목적으로 설정한 디프리스 팬텀(Defrise Phantom)에 서로 다른 밀도를 물질의 밀도 영상(Material Density Image)을 곱하여 뼈 원통의 물질 감쇠 계수의 값이 번갈아가며 다르게 나타나도록 설정하였다. 이때, 상기 디프리스 팬텀(Defrise Phantom)은 도 13에서 도시하고 있는 것과 같이, 콘빔 아티팩트를 생성하기 위해 가장 일반적으로 많이 사용되는 팬텀을 의미하며, 큰 원통 안(본 특허의 경우 물과 같은 X-ray 감쇠계수를 가지는 물질)에 다른 물질의 작은 원통 여러 개(본 특허의 경우 뼈와 같은 X-ray 감쇠계수를 가지는 물질)가 일정 간격으로 떨어져있는 팬텀을 의미한다.
In FIG. 6, different density is multiplied by a material density image of a defree phantom set for the purpose of comparison analysis between the existing two-pass algorithm and the algorithm proposed in the present invention The values of the damping coefficient of the bone cylinder were alternately set to be different. The defree phantom refers to a phantom most commonly used for generating cone beam artifacts as shown in FIG. 13, and a large cylindrical phantom (X- ray attenuation coefficient) of a plurality of small cylinders (substances having an X-ray attenuation coefficient equal to the bone in the case of the present patent) of another substance are spaced apart at regular intervals.

상기 시뮬레이션에 사용한 참조 팬텀은 도 5의 시스템 구조에 따라 구성하였으며, 도 7에서 도시하고 있는 것과 같이, 각각의 XZ축 중앙 프로파일(701)과 XY축 중앙 프로파일(702)을 도시하였다. The reference phantom used in the simulation was constructed according to the system structure of FIG. 5, and each XZ-axis central profile 701 and the XY-axis central profile 702 are shown, as shown in FIG.

상기 구성한 참조 팬텀 영상(701)(702)을 포워드 프로젝션(Forward Projection) 과정을 통해 CT 촬영을 통해 얻을 수 있는 프로젝션 데이터(703)로 변환시키고, 변환한 프로젝션 데이터(703)를 기존 FDK 알고리즘을 사용하여 복원하는 백워드 프로젝션(Backward Projection) 과정을 거쳐 참조 팬텀에 콘빔 아티팩트가 나타나는 영상(704)을 획득하였다.The reference phantom images 701 and 702 configured as described above are converted into projection data 703 that can be obtained through CT shooting through a forward projection process and the converted projection data 703 is converted to projection data 703 using the existing FDK algorithm (Backward Projection) process, and the image (704) in which the cone beam artifact appears in the reference phantom was obtained.

그리고 도 8 내지 도 10은 기존의 수치 비교를 이용한 2-패스(Two pass) 알고리즘에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 이때, 콘빔 아티팩트가 나타나는 영상의 값을 분석하여 고밀도 물질 영상의 추정을 위한 임계치(Threshold) 값을 결정하였으며, 이때, 임계치 값에 따른 2-패스(Two pass) 알고리즘의 성능 비교를 위해 세 가지의 임계치(0.5/1.0/1.5) 값을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. FIGS. 8 to 10 show simulations for a two-pass algorithm using existing numerical comparison. At this time, a threshold value for estimating a high-density material image was determined by analyzing the image value of the Cone beam artifact. In order to compare the performance of the two-pass algorithm according to the threshold value, The simulation was performed using the threshold value (0.5 / 1.0 / 1.5).

각각의 임계치 값을 기반으로 도 8 내지 도 10에서 도시하고 있는 것과 같이, 고밀도 물질인 뼈 영상(Segment ED Material(Bone))(706)을 분리하였으며, 추정한 뼈 영상을 포워드 프로젝션과 백워드 프로젝션 과정을 거쳐 콘빔 아티팩트가 나타난 뼈 영상을 획득하고, 뼈 분할(Bone Segmentation) 영상과 콘빔 아티팩트가 나타난 뼈 영상과의 차이를 통해 콘빔 아티팩트 재현 영상(Error Estimation)(707)을 획득하였다. Based on the respective threshold values, as shown in FIGS. 8 to 10, a high-density material Segment ED Material (Bone) 706 is separated, and the estimated bone image is divided into a forward projection and a backward projection And acquires a cone beam artifact reconstructed image (Error Estimation) 707 through a difference between a bone segmentation image and a bone image in which a cone beam artifact appears.

그 후 콘빔 아티팩트가 나타나는 영상(Scan data recon with FDK)(705)과 콘빔 아티팩트 재현 영상(Error Estimation)(707)과의 조합을 통해 최종적으로 콘빔 아티팩트 보정 영상(Result)(708)을 획득하였다.Then, a cone beam artifact corrected image (Result) 708 is finally obtained through a combination of the scan data reconfiguration with FDK 705 and the Cone beam artifact reconstructed image 707.

도 8 내지 도 10에서 도시하고 있는 것과 같이, 기존 2-패스(Two pass) 알고리즘에서는 임계치 값에 따라 분리된 고밀도 물질 영상 정도의 변화(Variation)가 굉장히 큼을 알 수 있다. 특히 임계치의 값이 높은 임계값을 갖는 경우(Threshold = 1.5), 추정된 뼈 원통이 제작한 5개의 뼈 원통 중 2 개만을 고밀도 물질로 추정할 정도로 나쁜 분할 성능을 보임을 알 수 있다(도 10의 (Segment ED Material(Bone))(706) 참조). As shown in FIGS. 8 to 10, in the conventional two pass algorithm, it can be seen that the variation of the degree of high density material image separated according to the threshold value is extremely large. Particularly, when the threshold value has a high threshold value (Threshold = 1.5), it can be seen that only two of the five bone cylinders manufactured by the estimated bone cylinder exhibit a bad partitioning performance so as to be estimated as a high-density material (Segment ED Material (Bone)) 706).

특히, 앞서 설정한 팬텀과 같이 뼈 원통의 감쇠계수 값이 순차적으로 바뀌는 경우에는 임계치 값을 잡기가 굉장히 애매한 경우가 많이 생기며, 임계치 값을 낮은 임계값으로 잡는다고 하더라도 감쇠계수가 다른 뼈 원통의 공간 부분이 콘빔 아티팩트의 영향으로 인해 영상에 왜곡이 생겨 정확한 고밀도 물질의 추정에 어려움이 있다(도 8의 (Segment ED Material(Bone))(706) Red line 참조). In particular, when the attenuation coefficient values of the bone cylinder are sequentially changed as in the case of the phantom set in advance, there are many cases in which the threshold value is very ambiguous. Even if the threshold value is set to a low threshold value, Due to the influence of the cone beam artifacts, the image is distorted and it is difficult to accurately estimate the high density material (refer to the Segment ED Material (Bone)) (706) Red line).

이처럼, 정확하게 추정되지 않은 고밀도 물질을 통한 콘빔 아티팩트의 명확한 재현에는 한계가 있으며 이는 최종 영상(Result)(708)에서의 콘빔 아티팩트 보정 정도에 영향을 미친다.
As such, there is a limit to explicit reproduction of the cone beam artifacts through the high-density material that is not accurately estimated, which affects the degree of cone beam artifact correction in the final image (Result) 708. [

반면에 본 발명에서 제안하는 알고리즘에서는 도 11에서 도시하고 있는 것과 같이, 이중 에너지를 활용한 물질분해 알고리즘과 반복 재구성 영상 복원과정을 통한 완벽한 고밀도 물질 추정 영상(Segment ED Material)(802)을 제공한다. On the other hand, in the algorithm proposed by the present invention, as shown in FIG. 11, a material decomposition algorithm using dual energy and a segmented ED material 802 are provided through a repetitive reconstruction image restoration process .

그리고 완벽하게 추정된 뼈 영상(802)은 콘빔 아티팩트의 재현(Error Estimation)(803)에 있어서 훨씬 더 정확성을 보이며, 이는 최종적으로 기존의 2-패스(Two pass) 알고리즘에 비해 최종 영상(Result)(804)에서 우수한 콘빔 아티팩트 보정 정도를 나타낸다.
And the perfectly estimated bone image 802 is much more accurate in the Error Estimation 803 of the Cone Beam artifact and is ultimately more accurate than the conventional two- (804). ≪ / RTI >

도 12 는 기존 2-패스(Two pass) 알고리즘과 본 발명의 결과를 비교한 도면이다.12 is a diagram comparing the results of the present invention with the conventional two-pass algorithm.

도 12(a)의 원본 FDK를 기존 2-패스(Two pass) 알고리즘을 통해 획득된 도 12(b)의 최종적으로 콘빔 아티팩트 보정 영상보다, 본 발명의 알고리즘을 통해 획득된 도 12(c)의 최종적으로 콘빔 아티팩트 보정 영상이 우수한 콘빔 아티팩트 보정이 이루어진 것을 확인할 수 있다.
The original FDK of Fig. 12 (a) is compared with the cone beam artifact correction image of Fig. 12 (b) obtained through the existing two-pass algorithm, Finally, it can be confirmed that the cone beam artifact correction image is excellent in cone beam artifact correction.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

Claims (12)

두 개의 서로 다른 에너지를 이용하여 얻은 프로젝션 데이터를 물질분해 알고리즘을 통해 Bone 사이노그램 및 Water 사이노그램을 포함하는 각각의 구성 물질만의 프로젝션 데이터로 분리하는 이중 에너지 기술 분석부와,
상기 Bone 사이노그램으로 수학적인 반복 재구성 방법을 활용한 영상 복원을 통해 Bone 재구성 영상을 추정하고, 추정된 Bone 재구성 영상으로 CT 촬영을 통해 얻을 수 있는 프로젝션 데이터(Raw Data)로 변환시켜주는 포워드 프로젝션(Forward Projection) 과정과 이를 FDK 알고리즘으로 영상 복원하여 콘빔 아티팩트가 나타난 FDK Bone 재구성 영상을 획득하며, 상기 Bone 재구성 영상과 FDK Bone 재구성 영상과의 차이를 통해 재현된 콘빔 아티팩트 재현 영상을 획득하고, 상기 콘빔 아티팩트 발생 영상과 콘빔 아티팩트 재현 영상과의 조합을 통해 최종적으로 콘빔 아티팩트 보정 영상을 획득하는 콘빔 아티팩트 보정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 장치.
A dual energy technology analyzing unit for separating projection data obtained by using two different energies into projection data of only each constituent material including a Bone SaNogram and a Water Cygnogram through a material decomposition algorithm;
A forward projection that estimates a bone reconstruction image through image restoration using a mathematical repetitive reconstruction method using the bone tomogram and transforms the estimated bone reconstruction image into projection data (Raw Data) (FDK) reconstructed image obtained by reconstructing the FDK-BONE reconstructed image using the FDK-Boundary reconstruction image and a FDK-Boundary reconstruction image obtained by the FDK- And a cone beam artifact correction unit that finally obtains a cone beam artifact correction image through a combination of the cone beam artifact generation image and the cone beam artifact reconstruction image.
제 1 항에 있어서,
상기 두 개의 서로 다른 에너지는 두 개의 에너지 스펙트럼으로, 로우 에너지 스펙트럼(low energy spectrum), 하이 에너지 스펙트럼(high energy spectrum)을 포함하는 것을 특징으로 하는 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the two different energies are two energy spectra and include a low energy spectrum and a high energy spectrum.
제 2 항에 있어서,
상기 물질분해 알고리즘은 구하고자 하는 기저 함수의 값을 이중 에너지 스펙트럼을 통해 이미 알고 있는 프로젝션 데이터 Y1과 Y2를 통해 다항식(polynomial)을 구성하고, 기저 함수의 값을 이미 알고 있는 상태로 제작된 교정 팬텀(calibration phantom)을 통한 다항식의 계수 추정과 최소 제곱법(least square fitting) 과정을 통해 추정해내는 것을 특징으로 하는 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 장치.
3. The method of claim 2,
The material decomposition algorithm constructs a polynomial through the projection data Y1 and Y2 already known through the dual energy spectrum, and outputs the corrected phantom estimating a coefficient of a polynomial through a calibration phantom and a least square fitting process.
제 1 항에 있어서,
상기 수학적인 반복 재구성 방법은 사이노그램의 값 행렬 b와, 데이터를 획득하는데 사용된 시스템의 지오메트리에 관련된 행렬 A를 이용하여, 최종적으로 복원하고자 하는 영상의 값인 x의 총변동(Total variation : TV)이 최소화 하도록 하는 최적화 과정과 반복 과정을 통해서 추정하는 것을 특징으로 하는 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 장치.
The method according to claim 1,
The mathematical iterative reconstruction method uses the sineogram value matrix b and the matrix A related to the geometry of the system used to acquire the data to calculate the total variation of x, ) Is minimized by an optimization process and an iterative process.
제 4 항에 있어서, 상기 수학적인 반복 재구성 방법은
최적화 과정에 있어서, 매 번 추정한 값 x의 총변동(Total variation : TV)이 최소화 하도록 하여 이미지를 복원하며, 총변동을 최소화 하는 정도를 파라미터 람다(λ)로 조절하여 반복 과정을 수행할 함수 f(x)를 구한 후, 구해진 함수 f(x)를 GP-BB(Gradient-Projection-Barzilai-Borwein) 알고리즘을 이용한 수학적 반복 과정을 통해 최적의 영상 복원값 x를 추정하는 것을 특징으로 하는 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 장치.
5. The method of claim 4, wherein the mathematical repetitive reconstruction method comprises:
In the optimization process, the image is restored by minimizing the total variation (TV) of the estimated value x every time, and the degree of minimizing the total variation is adjusted to the parameter lambda (λ) (x), and estimating an optimal image reconstruction value x through a mathematical repetition process using a GP-BB (Gradient-Projection-Barzilai-Borwein) algorithm. Wherein the cone beam artifact correction device comprises:
(A) 이중 에너지 기술 분석부를 통해 두 개의 서로 다른 에너지를 이용하여 얻은 프로젝션 데이터를 물질분해 알고리즘을 통해 Bone 사이노그램 및 Water 사이노그램을 포함하는 각각의 구성 물질만의 프로젝션 데이터로 분리하는 단계와,
(B) 콘빔 아티팩트 보정부를 통해 상기 분리한 고밀도 물질(뼈)의 프로젝션 데이터 중 Bone 사이노그램을 수학적인 반복 재구성 방법을 활용한 영상 복원을 통해 Bone 재구성 영상으로 추정하는 단계와,
(C) 상기 반복 재구성 영상 복원을 통해 추정된 고밀도 물질의 Bone 재구성 영상을 기반으로 콘빔 아티팩트 재현 및 보정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 방법.
(A) separating the projection data obtained by using the two energy sources through the dual energy technology analysis unit into projection data of only the constituent materials including the Bone-sirenogram and the water-cy Wow,
(B) estimating a bone between the projection data of the separated high density material (bone) through a cone beam artifact correction unit as a bone reconstruction image through image restoration using a mathematical iterative reconstruction method,
(C) reconstructing and correcting cone beam artifacts based on the bone reconstruction image of the high-density material estimated through the repeated reconstruction reconstruction of the cone beam artifact in the CT image.
제 6 항에 있어서,
상기 두 개의 서로 다른 에너지는 두 개의 에너지 스펙트럼으로, 로우 에너지 스펙트럼(low energy spectrum), 하이 에너지 스펙트럼(high energy spectrum)을 포함하는 것을 특징으로 하는 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the two different energies are two energy spectra and include a low energy spectrum and a high energy spectrum.
제 6 항에 있어서, 상기 물질분해 알고리즘은
구하고자 하는 기저 함수의 값을 이중 에너지 스펙트럼을 통해 이미 알고 있는 프로젝션 데이터 Y1과 Y2를 통해 다항식(polynomial)을 구성하는 단계와,
기저 함수의 값을 이미 알고 있는 상태로 제작된 교정 팬텀(calibration phantom)을 통한 다항식의 계수 추정과 최소 제곱법(least square fitting) 과정을 통해 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 방법.
7. The method of claim 6,
Constructing a polynomial through the projection data Y1 and Y2 already known through the dual energy spectrum,
Estimating a polynomial coefficient through a calibration phantom prepared in a state in which a value of a basis function is already known, and estimating the coefficient through a least square fitting process. Cone beam artifact correction method.
제 6 항에 있어서, 상기 수학적인 반복 재구성 방법은
사이노그램의 값 행렬 b와, 데이터를 획득하는데 사용된 시스템의 지오메트리에 관련된 행렬 A를 이용하여, 최종적으로 복원하고자 하는 영상의 값인 x의 총변동(Total variation : TV)이 최소화 하도록 하는 최적화 과정과 반복 과정을 통해서 추정하는 것을 특징으로 하는 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 방법.
7. The method of claim 6, wherein the mathematically repetitive reconstruction method comprises:
An optimization process for minimizing the total variation (TV) value x of the image to be finally reconstructed using the value matrix b of the sinogram and the matrix A related to the geometry of the system used to acquire the data And estimating the converbean artifact in the CT image.
제 9 항에 있어서, 상기 수학적인 반복 재구성 방법은
최적화 과정에 있어서, 매 번 추정한 값 x의 총변동(Total variation : TV)이 최소화 하도록 하여 이미지를 복원하며, 총변동을 최소화 하는 정도를 파라미터 람다(λ)로 조절하여 반복 과정을 수행할 함수 f(x)를 구하는 제 1 단계와,
상기 구해진 함수 f(x)를 GP-BB(Gradient-Projection-Barzilai-Borwein) 알고리즘을 이용한 수학적 반복 과정을 통해 최적의 영상 복원값 x를 추정하는 제 2 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 방법.
10. The method of claim 9, wherein the mathematical repetitive reconstruction method comprises:
In the optimization process, the image is restored by minimizing the total variation (TV) of the estimated value x every time, and the degree of minimizing the total variation is adjusted to the parameter lambda (λ) a first step of obtaining f (x)
And a second step of estimating an optimal image reconstruction value x through a mathematical repetition process using the GP-BB (Gradient-Projection-Barzilai-Borwein) algorithm. A method for correcting cone beam artifacts in an image processing apparatus.
제 10 항에 있어서, 상기 제 2 단계는
n번째 반복 과정 동안 풀 수식
Figure 112016019244179-pat00005
과 초기 조건을 설정하는 단계와,
상기 반복 과정을 통해 추정된 값 x를 통해 반복 재구성의 스텝 사이즈를 결정하는 단계와,
상기 반복 과정을 수행하여 최적화된 값 x를 추정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 방법.
11. The method of claim 10, wherein the second step
During the n-th iteration,
Figure 112016019244179-pat00005
And setting an initial condition,
Determining a step size of an iterative reconstruction through an estimated value x through the iterative process;
And estimating an optimized value x by performing the iterative process. ≪ RTI ID = 0.0 > [10] < / RTI >
제 6 항에 있어서, 상기 (C) 단계는
상기 반복 재구성 영상 복원을 통해 추정된 고밀도 물질의 Bone 재구성 영상을 CT 촬영을 통해 얻을 수 있는 프로젝션 데이터(Raw Data)로 변환시켜주는 포워드 프로젝션(Forward Projection) 과정과 이를 FDK 알고리즘으로 영상 복원하여 콘빔 아티팩트가 나타난 FDK Bone 재구성 영상을 획득하는 단계와,
상기 Bone 재구성 영상과 FDK Bone 재구성 영상과의 차이를 통해 재현되는 콘빔 아티팩트 재현 영상을 획득하는 단계와,
콘빔 아티팩트 발생 영상과 상기 획득된 콘빔 아티팩트 재현 영상과의 조합을 통해 최종적으로 콘빔 아티팩트 보정 영상을 획득하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CT 영상에서의 콘빔 아티팩트 보정 방법.
7. The method of claim 6, wherein step (C)
A forward projection process for transforming a bone reconstruction image of a high density material estimated by the repeated reconstruction image reconstruction into projection data (Raw Data) obtained through CT imaging, and restoring the image by the FDK algorithm, Acquiring an FDK bone reconstruction image,
Acquiring a cone beam artifact reconstructed image reproduced through a difference between the bone reconstructed image and the FDK bone reconstructed image;
And finally obtaining a cone beam artifact corrected image through a combination of the cone beam artifact occurrence image and the obtained cone beam artifact reproduced image.
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